锅炉高温腐蚀分析与技术措施.pdf

第 3 0 卷第 1 期 2 0 O 7 年 0 2月 四 川 电 力 技 术 S i e hnm E l e c t r i c P o w e T e c h n o l o g y Vo 1 3 0 N o 1 F 曲 2 0 o 7 锅炉高温腐蚀分析与技术措施 丁力， 陈 曲进 ( 重庆电力高等专科学校， 重庆4 0 0 0 5 3 ) 摘要： 对燃用离硫煤的锅炉受热面高温腐蚀特点进行研究， 分析了高温腐蚀的主要影响因素， 提 出了解决高温腐蚀 的主要措施 。 关键词： 锅炉高温腐蚀 ； 影响因索； 技术措施 A 嘲：T h e c I 删瑚 t e r i c 8 o f h i g ht e mp e 硪t u 地 c 0 锄 i n t h e kl址i n g B u o f蛐wh i c h i s b u ming wit h h i g hs 恤c o a l a r e s t u d i e d A f t e r a n a l y -gt h e m 日 i n a ff e c t in g f a c to r s t h a t l e a d t o l l i g l l 一把 叫p e r a mr e e _ r r m i o n ，t h e m a i n c o u ut e ml e,a s to s o l v e h i g ht e 翔 l皿It u I Ie c o 帅i 锄 a I e p u t f 0 捌 K锣W o r d s - l 1 i g I l t e mp a mm r e c o r r o s i o n in b o i l e r ； a ff e c ti n gf a c t o r ； t e c h n i c a l 瑚删 坤 中图分类号： 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 3 一回5 4 ( 2 0 0 r 7 ) 0 1 0 0 6 7 0 4 锅炉受热面的高温腐蚀是指烟气中所含碱金属 的复合硫酸盐以液态形式在高温受热面上沉积所造 成的腐蚀现象。锅炉高温腐蚀现象是由燃料中的硫 和燃料灰份中的碱金属( 钠、 钾) 以及钒所引起的， 主 要发生在燃用高硫煤或高钒油的锅炉水冷壁管和过 热器管束上。 川渝地区火电厂大多燃用高硫煤， 如松藻洗煤的 折算硫份为 0 4 ， 芙蓉煤的折算硫份为 0 6 7 ， 远 远高于0 2 的高硫煤指标。个别火电厂实际燃煤 的收到基硫份曾高达 6 ， 折算硫份达到 1 ， 导致锅 炉高温腐蚀现象十分严重， 经常因受热面爆管而被迫 停炉， 对电厂的安全满发造成很大影响。特别是近年 来电力负荷需求增加， 火电厂发电任务繁重， 锅炉的 运行小时数增大， 川渝地区火电厂的锅炉均遭受到较 严重的高温腐蚀。 1 高温腐蚀特点 根据调查， 川渝地区锅炉水冷壁管为受腐蚀减薄 最严重的区域， 一般都在燃烧器高度范围内， 并且靠 近燃烧器附近及火焰中心区。对于液态排渣炉和敷 设卫燃带的锅炉， 高温腐蚀还会发生在耐火砼层之 下。 从炉膛水冷壁管的腐蚀位置情况看 ， 腐蚀严重的 区域是在管子的向火侧的迎火面， 在向火侧的背火面 腐蚀较轻， 如图 1 所示。 图 1 水冷壁管迎火面的腐蚀情况 此外， 在高温过热器的下部离火焰较近的位置， 也会发生较严重的腐蚀现象， 如图2 所示。 图 2 过热器管下部腐蚀情况 重庆某火电厂一台6 7 0 t h 锅炉 1 9 9 7 年进行“ 四 67 维普资讯 第3 o 卷第1 期 2 0 0 7 年0 2 月 四 川 电 力 技 术 S i e h t u m E t e e t r i e P o we rT e c h n o l o g y V o 1 3 0 N o 1 F e b 2 0 管” 防爆漏检查与诊断时， 发现靠近燃烧器附近高温 区域的水冷壁存在结焦及高温腐蚀情况， 当时水冷壁 管的壁厚均在 6 5 m i ll 左右。2 0 0 1 年再次检查时发 现水冷壁出现大面积均匀减薄现象， 局部焊缝处有 明显的壁厚减薄现象。 分析表明， 管壁减薄较多的区域主要分布在火焰 温度相对较高的地区， 即燃烧器附近及距离火焰中心 较近的炉墙上。同时还发现， 在左侧墙及其与后墙相 邻的位置上管壁减薄较严重， 而在前墙和右侧墙上的 管壁减薄较少， 估计与运行中火焰存在偏斜现象有 关。 由于川渝地区多数燃用高硫煤， 受热面腐蚀现象 十分突出。不仅在水冷壁、 过热器和再热器等高温受 热面上形成高温腐蚀， 在省煤器和空气预热器等低温 受热面上的低温腐蚀现象也十分严重。 2 高温腐蚀的主要影响因素 2 1 煤质 煤中含硫是造成锅炉受热面腐蚀的根本原因。 煤的硫含量越高， 腐蚀现象越严重。煤中的硫在燃烧 过程中生成 s o 2 ， 其中少量 s o 2 转化成 s o 3 ， 其转化率 与下列因素有关： 1 ) 火焰温度： 火焰温度越高， 在高温下分解的自 由原子氧越多， 生成的s o 3 越多； 2 ) 炉内过量空气系数： 当 a L 增大时， s o 3 的转化 率和绝对值都将增加； 3 ) 积灰的成份及数量： 当高温烟气流过积灰的受 热面时， 在灰中 V 2 o 5 和 V 2 o 5 的催化作用下， 烟气中 部份 s o 2 被转化为 s o 3 。转化率随 V 2 o 5 和 V 2 o 5 的数 量、 火焰温度及烟气中的氧量增加而增大。 2 2 灰中碱金属含量 灰中碱金属氧化物 K 2 0 、 N a 2 0在高温火焰作用 下会产生升华现象， 其升华成份与烟气中的 s o 3 结合 在一起， 凝聚在受热面上， 形成易熔的硫酸盐 K 2 S 0 4 、 N a 2 S O 4 等， 构成易粘附灰垢的温床。当金属壁温高 于 6 0 0时， 呈熔融状态的K 2 S 0 4 和N a 2 S 0 4 会侵蚀管 壁生成钾、 钠和铁的复合硫酸盐( K 2 N a 2 F e S 0 4 ) ， 这是 造成高温腐蚀的主要原因。 2 3 管壁附近烟气成份 引起水冷壁管腐蚀的另一个主要原因是烟气中 存在腐蚀性气体。由于燃烧器附近的火焰温度可达 6 R 1 4 0 0 1 6 0 0左右， 使煤中的矿物成份被挥发出 来， 这一区域烟气中N a O H 、 s o 2 、 H C 1 、 H 2 S 等腐蚀性气 体成份较多； 同时水冷壁附近的烟气还处于还原性气 氛， 导致灰熔点温度的下降和灰沉积过程加快， 从而 引起受热面的腐蚀。 2 4 管壁温度 管壁温度是影响腐蚀的重要因素之一。根据文 献 1 介绍， 在 3 0 0 5 0 0 oC 范围内， 管壁外表面温度 每升高 5 O， 腐蚀程度则增加一倍。由此对材质为 1 2 C r M o 的水冷管壁和过热器管进行计算后的结果 如图3 所示。 腐 蚀 深 度哪 a 、 J f ： ： = 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 管 壁 温 度 圈3 腐蚀深度与璧温的关系 根据图 3 可知， 当管壁温度为 4 8 0 5 0 0时， 水 冷壁的腐蚀速度 h= 0 1 7 0 2 2 m lll a ， 过热器的 h = 0 1 0 0 1 5 m u l a 。这是由于炉膛内的还原性气体 含量比过热器区高， 其腐蚀速度也比过热器为大。 2 5 火焰冲刷及磨损 金属表存在保护膜， 而保护膜的损坏则可能是由 于磨损、 腐蚀剂熔解、 以及温度和烟气介质成份显著 变化等， 其中未燃尽煤粉的磨损作用很大。当未燃尽 的火焰流冲刷水冷壁管时， 由于煤粉具有尖锐棱角， 所以有很大的磨损作用， 这种磨损将加速水冷壁保温 层 的损坏。 同时， 当火焰流冲刷水冷壁管时， 不但使水冷壁 附近的炉膛介质温度升高， 而且也使管壁外表面与炉 膛介质中的腐蚀成份接触频繁， 锅炉水冷壁管的严重 腐蚀区通常发生在炉膛内火焰中心的水平上， 即热强 度较高的管屏区段里， 其原因就在于此。 3 预防高温腐蚀的方法 3 1 减弱或消除腐蚀介质的腐蚀性 腐蚀介质中最主要的成份是 s o 3 ， 因此减少火焰 和烟气中的 s o 3 是避免腐蚀最有效的途径。 维普资讯 第 3 0 卷第 1 期 2 O O 7 年 月 四 川 电 力 技 术 S i e h u a n E l i z a -i t P o we r T e c h n o l o g y Vo 1 3 0- No 1 F e b 。 2 0 a 7 3 1 1 采用低氧燃烧 燃料中的硫在炉膛与氧接触燃烧时， 一般呈现两 种状态， 即当氧多时， 形成 s o 3 ； 而 当氧少时， 形成 s o 2 。s o 2 呈气体状态， 它随着烟气排人大气， 一般不 会引起腐蚀。 随着过量空气系数的降低 ， 燃料中的硫转化为 s o 3 的转化率明显下降， 因而可显著减少 s o 3 含量降 低管子的腐蚀量， 如图4 所示。对某金属管的试验 1 表明， 在 1 5 过量空气下试验的管子受到相当严重 的腐蚀， 管子的大部分有深坑且实质上已被破坏； 而 在 l 过量空气下试验的管子仍处于良好的状态， 只 有一些轻微的麻点。 圉4 硫向S 的实验转化率 3 1 2 采用 烟气再 循环 采用烟气再循环后， 由于部份低温烟气被循环到 炉膛， 能降低火焰中心和炉膛出口的烟气温度， 从而 减少烟气中s o 3 的生成量， 有利于减轻高温受热面的 腐蚀。但对于低挥发份煤可能造成着火不稳定， 对高 灰份煤会加重飞灰磨损程度。 3 1 3 合理配风并加强混合 合理配风和强化炉内湍流混合的目的， 是避免炉 膛局部地区出现还原性气体。 3 1 4 使各燃烧器间的煤粉浓度分布均匀 为了防止高温受热面由于风粉分配不当、 煤粉浓 度不均匀而引起腐蚀和磨损， 除需要在系统布置和管 道结构上采取措施以外， 在锅炉运行中应注意避免各 喷燃器来粉不均匀或过量空气量增高的现象。当锅 炉负荷降低需要调整给粉工况时， 为了保证各喷燃器 来粉均匀同时又不使过量空气系数偏大， 一般采用停 运一层或二层给粉机的方式来改变供粉量， 避免让个 别给粉机在低转速下运行， 以保证着火稳定。 3 1 5 控制煤粉细度 煤粉颗粒较粗时， 火焰容易冲墙和煤粉难于燃 尽， 这样会引起高温腐蚀和磨损。实验表明， 当煤粉 粒度 R 9 0 = 8 5 一 1 3 5 时， 水冷壁管的外部腐蚀比 9 o = 6 一 8 时大得多， 特别是在炉膛里燃烧器喷 口被烧损、 喷燃器给粉不均匀和燃料燃烧时给风工况 受破坏的情况下， 更是如此。 3 1 6 控制管壁温度 控制炉内局部火焰最高温度及热流密度， 特别是 在燃烧器区域附近的火焰中心处。降低炉膛出1：3 烟 气扭转残余、 烟温偏差以及过热蒸汽流量分布偏差， 以避免出现局部地区壁温过高的现象。避免因热流 密度分布不均引起水冷壁内部结垢不均而使壁温超 温。 3 1 7 添加中和吸收剂 由于 s o 3 数量对高温腐蚀起重要的作用， 为减轻 其影响， 将石灰石( c a c o 3 ) 或白云粉 ( , c o 3 C a C 0 3 ) 和煤粉一起， 经燃烧器送入炉膛， 在炉内高温作用下， 石灰石热解成氧化钙( C a t 0 3 ) 和 c ， 白云石热解成 C a O和 M ， 它们遮盖住氧化铁的催化表面， 并与烟 气中s o 3 发生中和反应， 生成 C a S O 4 和 M g s o ， 从而减 少s o 3 浓度。此外， C a O和 M g O与硫酸钾和硫酸钠进 行反应， 不仅可降低 s o 3 的浓度， 而且使碱硫酸盐转 化， 以及使过热器管壁上的粘结灰转变成松散性积 灰。 对硫化物型的高温腐蚀， 因加入 c a 0和 M g O ， 它 们与 H 2 S反应生成 C a S粒子， 也起防腐蚀作用。此 外， 用氧化锑 s b 2 o 3 也能减小 s o 3 浓度， 因为氧化锑 与氧化铁反应， 生成化学吸附键， 阻止 s o 2 的氧化。 在 7 5 0 9 2 0 K温度范围内， 因 S b 2 o 3 的蒸汽分压力 高， 且均匀分布在氧化铁的表面上， 阻止 s o 3 氧化效 果较好。超过 9 2 0 K后， 化学吸附键破裂， 效果降低。 3 2 选用耐腐蚀材料 对易产生高温腐蚀的煤种， 可采用高铬钢做受热 面管子的材料。在高铬钢材料表面上， 会生成一种结 构致密的氧化膜 ( 氧化铬 C r 2 0 3 ) ， 它在熔融硫酸盐 中， 溶解速度较氧化铁慢， 抗腐蚀性较好。 采用奥氏体钢抗腐蚀， 也能延长使用寿命。而且 还因奥氏体钢的热膨胀系数大， 使金属与积灰之间的 粘结强度减弱， 便于清灰。此外， 管子表面用铬与铝 进行扩散处理， 可提高抗氧化能力。 3 3 隔断腐蚀介质与管子的接触 主要方法包括： 在易发生高温腐蚀的受热面处加 金属防护套； 在管壁上加陶瓷抗腐合金； 对管壁表面 进行热喷涂； 在管子表面进行渗铝等。 - 69 维普资讯 第 3 0 卷第 1 期 2 O 0 7 年0 2 月 四 川 电 力 技 术 S i e h u m E l e c t r i c P o w e rT e c h n o l o g y Vo 1 3 0。 No 1 F e b ， 2 O 0 7 3 4 控制壁面附近介质气氛 国外为防止燃用无烟煤的超高参数液态排渣炉 水冷壁高温烟侧腐蚀， 采用一种往腐蚀区喷入热风的 装置， 其工作原理是： 在腐蚀部位的炉管和炉墙的间 隙中装设散风管， 管上布置很多馈风的小孔， 热风流 经小孔布散在间隙中仍维持一定的静压， 使可以渗入 炉衬， 驱止腐蚀性介质靠近管壁。为了避免沿间隙流 失风量， 在腐蚀区周界和区域内装有隔板。 另外， 也曾有过在炉墙受腐区域布置一些孔穴， 用人为漏风方法在附壁区形成富氧气氛， 用以减缓硫 腐蚀的尝试。 4 结束语 1 ) 锅炉水冷壁遭受高温腐蚀较严重的区域主要 集中在燃烧器附近区域， 对于6 7 0 t h 锅炉， 这一区域 在燃烧器附近约 1 0 m高的范围内。为了提高锅炉的 可用率， 减少因腐蚀而爆管停炉的事故， 重点应注意 燃烧工况的正确调整。 2 ) 燃烧工况的正确调整能有效避免炉膛火焰刷 墙现象， 同时可防止过量空气偏多、 控制壁面附近介 质气氛、 减少火焰温度波动等现象的发生。 3 ) 采用管子表面处理的方式可提高锅炉受热面 的抗腐蚀性能。由于水冷壁受火焰冲刷而磨损的现 象很难完全避免， 而管子的磨损会加快腐蚀速度， 因 此考虑防腐措施的同时， 一般还应考虑防磨措施。 4 ) 应及时更换受腐蚀管束， 避免爆管事故的发 生。 参考文献 1 岑可法， 樊建人等合著 锅炉和热交换器的积灰、 结渣、 磨损和腐蚀的防止原理与计算 M 科学出版杜， 1 9 9 4 2 容銮恩， 袁镇福等合编 电站锅炉原理 M 中国电力 出版杜 ， 1 9 9 7 3 中国动力工程学会 火力发电设备技术手册第一卷 锅 炉 M 机械工业出版杜， 2 0 o o 4 曲敬信， 汪泓宏 表面工程手册 M 化学工业出版杜， 1 9 9 8 ( 收稿日期 2 0 0 6 0 9 2 5 ) ( 上接第1 0 页) 信息化管理， 四川省调的保护及故障 录波信息管理系统主站应适时进行完善和改造， 统一 其对外的接口 要求， 规范系统的信息传送内容及传输 规约。 4 ) 配合已投运站的保护及故障录波子站建设， 应尽快改造母线保护和主变保护中的非微机型保护， 使得保护信息能方便地通过子站系统上传。 5 ) 应对 2 2 0 k V 、 5 0 0 k V厂、 站运行